水热及裂解生物炭对水稻产量及氮素利用率的影响

王悦满, 冯彦房, 杨林章, 刘 杨, 侯朋福, 李辉信, 薛利红①

(1.南京农业大学资源与环境科学学院, 江苏 南京 210095; 2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/ 农业部长江下游平原农业环境重点实验室, 江苏 南京 210014)

生物炭因其较大的比表面积、丰富的空隙结构和稳定的理化性质而在土壤改良和固炭减排等方面具有重要作用[1]。生物炭制备形式主要包括常规裂解生物炭(pyrochar)和水热生物炭(以下简称水热炭,hydrochar)。常规裂解生物炭是含碳有机生物质在低氧或缺氧条件下经高温热解(<700 ℃)形成的稳定富碳产物[2]。水热炭是以生物质为原料,在150～350 ℃和自生压力条件下,经水热反应得到的以碳为主体、含氧官能团丰富、热值高的黑色固体产物[3]。

与传统高温裂解炭化技术相比,水热炭化技术有以下优势:制备温度低;原料不受含水量限制,耗能少;CO2释放量少[4];水热炭热值高,可作为一种新型的生物燃料[5];产率较高[6];炭材料表面保留了更多的含氧、含氮官能团[7],使其成为一种高效的生物质预处理手段和生物质全组分转化方式。

水热炭化技术应用前景广阔,主要包括废弃生物质资源化[8]和纳米材料制备[9]2个方面。然而,将水热炭应用于农业环境领域的报道尚不多见。目前,水热炭研究多集中于其自身理化特性[10]及其在土壤培养体系[11]中的应用基础研究领域。REZA等[12]观察到在土壤中添加水热炭可以显著改变土壤生态学和栖息微生物的功能。MATTHIASC等[13]的研究结果表明,高水热炭施用量(φ=20%)对孢子萌发和丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)群落存在积极影响。MALGHANI等[14]研究发现,在黏土中施加w=1%水热炭可增加CO2和CH4排放量,同时减少N2O排放量。但也有研究表明水热炭施用量较高(φ>10%)对蒲公英生长有害[15]。

为了解水热炭和裂解生物炭对水稻生长及氮素利用效率影响的差异,笔者采用土柱试验,考察了这2种生物炭对水稻生长、产量及氮素利用率的影响,为水热炭的稻田应用提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试水稻品种为武运粳23号,供试土壤为江苏省宜兴周铁稻田0～20 cm耕层土。土壤自然风干后过2 mm孔径筛备用。土壤性质如下:pH值为6.38〔m(土)∶V(水)=1∶2.5〕,w(TN)、w(TP)和w(TK)分别为1.56、0.96和4.12 g·kg-1,w(有机质)为22.8 g·kg-1。

供试生物炭为分别通过高温裂解法(500 ℃)和水热炭化法(260 ℃)制备得到的锯末裂解生物炭(PSBC)和锯末水热炭(HSBC)。PSBC制备方法如下:将锯末生物质(SBC)置于马弗炉中,以5 ℃·min-1的速率升温至500 ℃,保持8 h,同样以5 ℃·min-1的速率降至室温,最终得到黑色固体产物。HSBC制备方法如下:称取SBC 600 g,将其与6 L水均匀混合,置于容积为10 L的密闭高压反应釜中,在260 ℃恒温条件下保持1 h。冷却后取出固相并在70 ℃条件下烘干至恒重,研磨,过2 mm孔径筛备用。PSBC和HSBC的pH值分别为8.08和3.67,w(C)分别为87.32%和56.73%,w(灰分)分别为2.05%和12.14%。

用于水稻土柱试验的容器呈圆柱体,高50 cm,内径为30 cm,每个土柱装土35 kg。锯末PSBC和HSBC分别设置w=0.5%和w=3%这2个生物炭添加量。共设置PSBC-0.5%、PSBC-3%、HSBC-0.5%和HSBC-3%这4组处理,另外设置施氮肥(CKU)和不施氮肥(CK)2组对照,共6组处理(表1),每处理设置3个重复。土柱试验在江苏省农业科学院农业资源与环境研究所实验场开展。

水稻于2016年7月6日移栽,每盆3穴,每穴3株。除CK不施氮肥外,其他处理均施氮肥。移栽前1 d施入基肥:氮肥(以N计)用量为96 kg·hm-2(占总施氮量的40%),磷肥(以P2O5计)用量为96 kg·hm-2,钾肥(以K2O计)用量为192 kg·hm-2。于7月18日和8月19日分别施入氮肥(以N计)追肥96和48 kg·hm-2。所有处理磷肥和钾肥均在施基肥时一次性施入,直至水稻收获前不追加施肥。除了烤田期8月6日至8月13日以外,土柱日常保持3～5 cm水层,灌溉水为自来水。11月8日收获水稻。

1.2 测定项目与方法

水稻成熟后进行收获,土柱单产单收,先获取稻穗,再获取水稻地上部分。分离籽粒和稻穗秆,将稻穗秆与水稻地上部分一起风干称重。水稻籽粒自然风干后用于测定有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重等产量性状。

植株和籽粒含氮量采用浓H2SO4-H2O2法消煮、靛酚蓝比色法测定。生物炭浸提液制备方法:称取20.0 g生物炭,加入300 mL去离子水,以400 r·min-1搅拌3 h,然后用0.45 μm孔径滤膜抽滤得到。生物炭浸提液TOC含量采用总有机碳分析仪(vario TOC cub)测定。

表1试验处理

Table1Testtreatments

处理是否添加生物炭原材料制备方式施加量w/%氮肥用量/(kg·hm-2) PSBC-0.5%是锯末高温裂解0.5240 PSBC-3%是锯末高温裂解3.0240 HSBC-0.5%是锯末水热炭化0.5240 HSBC-3%是锯末水热炭化3.0240 CKU否———240 CK否———0

PSBC-0.5%和PSBC-3%分别指锯末裂解生物炭施加量w为0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分别指锯末水热炭施加量w为0.5%和3%,CKU为施氮肥对照,CK为不施氮肥对照。“—”表示无数据。

1.3 数据分析

籽粒收获指数(HI)为水稻实际所得籽粒质量与水稻地上部生物量的比值[16]。氮肥偏生产力指单位投入的肥料氮所生产的作物籽粒产量。氮肥吸收利用率由施氮肥作物收获时地上部吸氮总量与未施氮肥作物收获时地上部吸氮总量的差值再除以化肥氮投入量得到。氮肥农学效率由施氮肥区作物产量与无氮肥区作物产量的差值再除以施氮量得到[17]。

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 20.0软件进行数据统计与分析,采用OriginPro 8.6软件绘图。

2 结果与分析

2.1 施加不同类型生物炭对水稻产量及其构成因子的影响

图1显示,与CKU相比,PSBC-0.5%处理产量增加0.65%,HSBC-0.5%处理减少1.44%。添加量较低时,2种生物炭对水稻产量的影响均未达显著水平。然而,PSBC-3%处理产量下降7.10%,而HSBC-3%处理水稻大幅减产,减幅达64.73%。CKU产量比CK处理高55.23%。

PSBC-0.5%和PSBC-3%分别指锯末裂解生物炭施加量w为0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分别指锯末水热炭施加量w为0.5%和3%,CKU为施氮肥对照,CK为不施氮肥对照。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间产量差异显著(P<0.05)

表2显示,与CKU相比,所有施炭处理对水稻有效穗数和千粒重均无显著影响。

表2施加不同类型生物炭对水稻产量构成因子的影响

Table2Effectsofapplyingdifferenttypesofbiocharonriceyield-componentstraits

处理有效穗数/盆-1每穗总粒数结实率/%千粒重/g PSBC-0.5%35.67±2.08a99.57±3.83a95.71±1.77a23.18±0.29a PSBC-3%32.33±2.89a100.59±6.10a97.47±1.11a23.43±0.26a HSBC-0.5%34.67±2.52a97.68±3.83a97.18±1.50a23.86±0.15a HSBC-3%30.33±7.51a39.90±6.67c63.76±6.12b23.09±1.24a CKU34.33±2.08a98.74±3.71a97.43±0.51a24.21±0.34a CK32.67±2.52a67.30±1.69b97.74±0.15a23.20±0.36a

PSBC-0.5%和PSBC-3%分别指锯末裂解生物炭施加量w为0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分别指锯末水热炭施加量w为0.5%和3%,CKU为施氮肥对照,CK为不施氮肥对照。同列数据后英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。

HSBC-3%处理有效穗数、每穗总粒数、结实率和千粒重较CKU分别下降11.65%、59.59%、34.56%和4.63%,其中,HSBC-3%处理和CKU之间有效穗数和千粒重均无显著差异。PSBC-0.5%处理有效穗数和每穗总粒数分别提高3.90%和0.84%,PSBC-3%处理每穗总粒数增加1.87%,HSBC-0.5%处理有效穗数增加0.99%。

2.2 施加不同类型生物炭对土壤氮素形态的影响

图2显示,HSBC-3%处理穗肥期土壤铵态氮含量显著高于其他处理(P<0.05)。对于成熟期耕层土壤,除了HSBC-0.5%处理土壤铵态氮含量显著低于CKU以外,其他施炭处理与CKU相比均无显著差异。土壤硝态氮含量明显低于铵态氮含量。穗肥期土壤硝态氮含量为4.33～6.06 mg·kg-1,成熟期土壤硝态氮含量在2.53～3.13 mg·kg-1之间。穗肥期PSBC-3%和HSBC-3%处理土壤硝态氮含量显著低于CKU(P<0.05),PSBC-0.5%和HSBC-0.5%处理与CKU相比无显著差异。成熟期PSBC-0.5%和PSBC-3%处理土壤硝态氮含量显著低于CKU,HSBC-0.5%和HSBC-3%处理与CKU相比均无显著差异。

PSBC-0.5%和PSBC-3%分别指锯末裂解生物炭施加量w为0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分别指锯末水热炭施加量w为0.5%和3%,CKU为施氮肥对照,CK为不施氮肥对照。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间铵态氮或硝态氮含量差异显著(P<0.05)

2.3 施加不同类型生物炭对水稻籽粒收获指数的影响

由图3可知,除HSBC-3%处理以外,其他施炭处理水稻收获指数与CKU相比增加3.92%～5.88%,HSBC-3%处理较CKU下降24.12%。

PSBC-0.5%和PSBC-3%分别指锯末裂解生物炭施加量w为0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分别指锯末水热炭施加量w为0.5%和3%,CKU为施氮肥对照,CK为不施氮肥对照。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间收获指数差异显著(P<0.05)

HSBC-3%处理产量减少幅度(图1)约为收获指数减少幅度的2.7倍,说明与地上部生物量相比,水稻籽粒产量减少幅度更大。CK处理因未施氮,产量较低,收获指数也比CKU低22.04%。

2.4 施加不同类型生物炭对吸氮量和氮素利用率的影响

由表3可知,CK处理水稻茎叶和籽粒含氮量都低于CKU及其他施炭处理。PSBC-0.5%、PSBC-3%和HSBC-0.5%处理茎叶含氮量比CKU高2.42%～5.49%,而HSBC-3%处理茎叶含氮量比CKU低0.22%。PSBC-0.5%和HSBC-0.5%处理茎叶含氮量比PSBC-3%和HSBC-3%分别增加3.00%和5.73%。所有施加生物炭处理籽粒含氮量均高于CKU和CK,而4个添加生物炭处理茎叶吸氮量均低于CKU。其中,PSBC-3%和HSBC-3%处理茎叶吸氮量低于CK,且HSBC-3%处理表现得更加显著。PSBC-0.5%和HSBC-0.5%处理籽粒吸氮量比CKU高23.68%和0.41%;PSBC-3%处理籽粒吸氮量比CKU低2.76%,但比CK高54.99%;而HSBC-3%处理籽粒吸氮量显著低于CKU和CK,下降67.46%和48.14%。茎叶和籽粒吸氮量随着生物炭添加量的增加而降低。在等量施肥条件下,PSBC-0.5%和HSBC-0.5%处理氮肥偏生产力基本与CKU持平,PSBC-3%处理氮肥偏生产力较CKU下降7.10%,而HSBC-3%处理则显著低于CKU,氮肥偏生产力降低约64.73%。PSBC-0.5%处理氮肥吸收利用率较CKU提高57.46%,氮肥农学效率提高1.86%。

表3施加不同类型生物炭对水稻吸氮量及氮素吸收利用效率的影响

Table3EffectsofdifferenttypesofbiocharonNuseefficiencyandtotalNuptakebyrice

处理含氮量/(g·kg-1)吸氮量/(kg·hm-2)茎叶籽粒茎叶籽粒氮肥偏生产力/(kg·kg-1)氮肥吸收利用率/%氮肥农学效率/(kg·kg-1)PSBC-0.5%4.80±0.41a17.41±0.44a47.39±0.35ab202.79±15.19a48.60±4.86a41.68±6.38a17.50±4.86aPSBC-3%4.66±0.11a14.82±0.76b42.53±1.29b159.44±14.48b44.85±4.09a21.59±6.73b13.75±4.09aHSBC-0.5%4.80±0.13a14.44±0.57bc48.67±5.55ab164.64±4.85b47.59±3.22a26.32±4.21b16.49±3.22aHSBC-3%4.54±0.01ab16.98±0.14a27.86±4.88c53.35±5.94d17.03±7.73c-28.72±1.87c-18.01±1.55bCKU4.55±0.05ab14.15±0.09bc49.72±3.74ab163.96±2.82b48.28±0.54a26.47±1.95b17.18±0.54aCK4.25±0.06b13.81±0.48c47.27±3.74ab102.87±5.61c31.10±2.75b——

PSBC-0.5%和PSBC-3%分别指锯末裂解生物炭施加量w为0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分别指锯末水热炭施加量w为0.5%和3%,CKU为施氮肥对照,CK为不施氮肥对照。同列数据后英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P<0.05)。“—”表示无数据。

3 讨论

过量施用裂解生物炭对水稻产量会有一定的负面影响。VINH等[18]研究表明添加2.5 t·hm-2生物炭使得春季和夏季稻谷分别减产24.7%和17.9%;CARVALHO等[19]施用生物炭1.5 a后粮食产量下降。这可能是因为较高生物炭施用量对土壤中有机氮矿化作用影响不明显,甚至降低了氮矿化速率,导致氮对植物的有效性降低[20]。笔者试验中PSBC-3%处理对水稻产量的影响也符合这一特征。

笔者研究发现,水热炭过量施用对水稻生长的负面影响相比常规裂解生物炭更为显著。初步考察水热炭过量施用对水稻生长和氮素利用率产生负面影响的原因,测定穗肥期和成熟期耕层土壤浸提态铵态氮和硝氮含量(图2),发现HSBC-3%处理穗肥期和成熟期土壤铵态氮含量反而高于其他处理。由于土壤硝氮含量明显低于铵态氮,且处理间差异不大,并未对土壤供氮能力产生主导影响。因此,推测水热炭对土壤供氮能力总体上未产生明显负面效应,不是笔者研究中导致HSBC-3%处理氮素利用率下降的最主要原因。

鉴于土壤供氮能力可能不是影响高施加量水热炭处理氮素利用率降低的主导原因,笔者进而从水热炭浸出液有机成分角度进行探讨。有研究表明,水热炭浸出液中含有较多有机物质,如有机酸、有机酚[20],在将其添加到土壤后易挥发分解,易挥发性物质在短期内影响氮矿化和微生物活性[21]。因此,水热炭大量施用会对作物产生不利影响[14,22]。POERSCHMANN等[23]在分析用伊乐藻制备水热炭过程中产生的工艺用水和清洗水热炭的洗涤用水时发现低分子量羧酸、酚和酚酸是其主要的有机产物。这些有机成分,特别是有机酚类加入土壤后有抑制土壤生物活性的作用[24],还有可能损害作物根部和地上部从而抑制作物生长,导致产量锐减和氮素流失[7,25]。李阳等[26]发现高剂量(80.0～160.0 g·kg-1)生物炭浸出液对小麦根、芽的生长起抑制作用,最大抑制率分别为18.64%和19.92%。GUNDALE等[27]观察到低温制备的生物炭含有较多的挥发物质,对植物生长产生抑制作用,并且推测可能是由于低温炭化过程中形成的有机物(如酚类)引起的毒性作用所致。

为了便于从总量角度量化水热炭浸提液中有机物质含量,而浸提液TOC含量可定量反映水体中有机物质含量[28],因此,笔者测定了浸提液TOC含量。结果表明HSBC浸提液ρ(TOC)高达432.33 mg·L-1,而PSBC浸提液ρ(TOC)仅为3.40 mg·L-1,前者约为后者的127倍。笔者试验中,HSBC-3%处理水稻产量显著降低,而HSBC-0.5%对水稻生长的影响不显著;这可能与表土对一定量的外源有机物质扰动具有强有力的缓冲能力有关,而较多水热炭的施加超出了土壤缓冲能力而对作物生长产生不利影响。因此,推测大量施加HSBC引入的可溶性有机物可能是抑制水稻生长的关键因素,进而可能对水稻氮素利用率产生影响。

除了水热炭可溶性有机物的大量引入外,过量施加水热炭会造成土壤pH值较低,也可能对水稻生长产生影响。有研究表明,水热炭与裂解生物炭pH值具有显著差异,特别是水热炭pH值一般呈酸性,且总体介于3.0～6.0之间[29],而笔者试验所用水热炭pH值亦在此范围内;而裂解生物炭pH值一般偏碱性[30-31]。笔者试验中制备的PSBC和HSBC的pH值差异很大,其对应的浸提液pH值分别为8.08和3.80,差异也很大。但在将生物炭施加到土壤中之后,除了PSBC-0.5%处理土壤pH值与CKU相比显著下降外,其他施炭处理土壤pH值与CKU相比差异均未达显著水平(P>0.05),而且所有处理和对照pH值都在6.14～6.37之间,接近中性(图4)。所以土壤pH值的扰动可能不是对水稻产量产生影响的主要原因。PSBC-0.5%处理水稻产量略增加,这可能与裂解生物炭添加导致的土壤微环境改良、肥料利用率提高以及自身一定的肥力效应有关。该结果与文献报道的生物炭增加水稻产量结果[32]一致。

PSBC-0.5%和PSBC-3%分别指锯末裂解生物炭施加量w为0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分别指锯末水热炭施加量w为0.5%和3%,CKU为施氮肥对照,CK为不施氮肥对照。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间土壤pH值差异显著(P<0.05)

综上所述,笔者研究发现水热炭施加量是影响水稻生长的关键因素。考虑到水热炭表面富含的有机物质易溶于水,过量施加可能导致水稻大幅减产,因此,在将水热炭应用于稻田时需严格控制其施加量,或者对其表面进行物理化学或生物预处理,以减少其环境应用时产生的负面效应。目前,针对裂解生物炭工程改良措施的研究较多,对水热炭的工程改良措施研究尚处于起步阶段。未来可以开展应用水热炭进行工程改良的研究,以实现水热炭炭化技术在农业环境领域的推广应用,同时实现其经济和环境效益。

4 结论

低用量裂解生物炭PSBC-0.5%能够增加水稻产量、收获指数、氮肥偏生产力和籽粒吸氮量,提高氮肥吸收利用率和农学效率。而高用量PSBC-3%处理水稻产量、氮肥偏生产力、籽粒吸氮量、氮肥吸收利用效率和农学效率有所降低,但收获指数与CKU相比增长5.00%。与裂解生物炭处理相比,高施加量水热炭HSBC-3%处理几乎对所有指标都具负面效应(P<0.05),这可能与水热炭不当施用所释放的大量有机物质如有机酚、有机酸有关。而较低施加量水热炭对水稻生长没有明显负面效应。因此,可将施用低量(w=0.5%)PSBC作为一种增加作物经济效益和提高氮肥利用率的方法加以推广。水热炭作为一类新型炭基材料,其稻田应用的环境效应和对水稻生长影响的机制还需要进一步研究,以全面评价其在农业领域的应用前景。